增材制造從三維模型出發(fā)實(shí)現(xiàn)零件的直接近凈成形制造。相比傳統(tǒng)的減材制造,增材制造將多維制造變成簡(jiǎn)單的由下而上的二維疊加,降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜程度。航空裝備領(lǐng)域目前涉及的增材制造主要是金屬材料增材制造,已發(fā)展出激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三類增材制造技術(shù)。
激光增材制造是當(dāng)前航空裝備領(lǐng)域最具代表性的增材制造方法,主要包括以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化和以同步送粉為技術(shù)特征的激光直接沉積。激光選區(qū)熔化工藝熱輸入小、成形尺寸精度高,適合制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、渦流器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件以及拓?fù)潼c(diǎn)陣等新型結(jié)構(gòu);激光直接沉積工藝效率較高、力學(xué)性能較好,但制造精度不高,適合制造飛機(jī)框梁等重要承力結(jié)構(gòu)。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)激光增材制造技術(shù)非常重視,其技術(shù)發(fā)展迅速,陸續(xù)應(yīng)用于飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造,并且呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
為了更好地把握增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),提前做好航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局,推進(jìn)增材制造在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用,《航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖》一文,針對(duì)激光增材制造最近幾年的發(fā)展,開(kāi)展文獻(xiàn)、資料、信息的搜集、整理、分析。在對(duì)增材制造現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,提出2035年航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的政策和環(huán)境支撐、保障需求,并嘗試給出2035年技術(shù)發(fā)展路線圖建議。
航空裝備激光增材制造路線圖研究
l 2035年發(fā)展目標(biāo)
1.需求
激光增材制造基于數(shù)模切片通過(guò)逐層堆積實(shí)現(xiàn)零件近凈成形制造,無(wú)需模具,節(jié)省材料,縮短研制和生產(chǎn)周期,降低制造成本。特別適合復(fù)雜形狀零件、梯度材質(zhì)與性能構(gòu)件、復(fù)合材料零件和難加工材料零件的制造,還支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)功能一體化制造。
航空航天領(lǐng)域的零件,外形復(fù)雜多變,材料硬度、強(qiáng)度等性能要求較高,難以加工且成本較高。而新生代飛行器正在向高性能、長(zhǎng)壽命、高可靠性以及低成本的方向發(fā)展,采用整體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜大型化是其發(fā)展趨勢(shì)。正是基于此發(fā)展趨勢(shì),激光增材制造技術(shù)越來(lái)越受到航空航天制造商的青睞。
激光增材制造的 Eurostar E3000 衛(wèi)星支架
航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、軸承座、控制殼體、葉片等零件,內(nèi)部具有復(fù)雜油路、氣路和型腔,為提高效能而進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì),更增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)、排氣門格柵結(jié)構(gòu),武器艙的艙門支座等部件,結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,這些新型復(fù)雜構(gòu)件的成形對(duì)基于激光選區(qū)熔化的增材制造技術(shù)具有迫切需求。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)各類機(jī)匣、壓氣機(jī)/渦輪整體葉盤、尾噴調(diào)節(jié)片等結(jié)構(gòu),形狀復(fù)雜,為提高效能甚至需采用異種或梯度材料結(jié)構(gòu)。飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼和不銹鋼接頭、滑軌、起落架,鋁合金承力框、梁,鈦合金框、支座、滑軌、滑輪架、筋壁板等承力構(gòu)件,高馬赫飛行器翼舵格柵結(jié)構(gòu)承載骨架,為提高減重和承載效能須進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度增加,采用傳統(tǒng)工藝制造難度大,對(duì)激光直接沉積增材制造具有明確技術(shù)需求。
Trent XWB-84 發(fā)動(dòng)機(jī)中間級(jí)壓縮機(jī)匣,該機(jī)匣采用包括增材制造工藝和新的焊接技術(shù)等最新設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)。
高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提高,要求采用超高溫金屬間化合物以及金屬基/陶瓷基復(fù)合材料等新型高溫結(jié)構(gòu)材料。新型高溫/超高溫材料零部件的研制對(duì)激光增材制造技術(shù)提出了潛在需求。
飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)某些帶局部凸臺(tái)、耳片等特殊結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件,采用鍛造工藝無(wú)法保證局部組織和性能;大型飛機(jī)的超大規(guī)格鈦合金承力框,超出現(xiàn)有鍛造設(shè)備的加工能力。對(duì)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造技術(shù)具有明確技術(shù)需求。
激光增材制造技術(shù)經(jīng)過(guò)近年的項(xiàng)目支持,基本解決了原材料、成形工藝、復(fù)雜零件制造等關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)始獲得應(yīng)用。目前制約激光增材制造大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一是疲勞問(wèn)題。需要特別重視激光增材制造疲勞問(wèn)題的原理性研究。
為了提高航空產(chǎn)品激光增材制造的工藝過(guò)程穩(wěn)定性和質(zhì)量,需要發(fā)展基于熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、粉末床和熔融層可見(jiàn)光檢測(cè)的在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)。
航空領(lǐng)域?qū)す庠霾闹圃斓男枨笾饕w現(xiàn)以下幾個(gè)方面:
(1)飛機(jī)鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)高性能高可靠激光直接沉積;
(2)飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架抗疲勞長(zhǎng)壽命激光直接沉積;
(3)飛機(jī)鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化;
(4)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件激光選區(qū)熔化;
(5)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件激光選區(qū)熔化;
(6)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件激光選區(qū)熔化;
(7)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件激光選區(qū)熔化;
(8)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件激光直接沉積;
(9)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)超大規(guī)格結(jié)構(gòu)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造;
(10)激光增材制造疲勞問(wèn)題的原理性研究;
(11)激光增材制造過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)研究。
2.目標(biāo)
突破飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造缺陷、組織、力學(xué)性能控制關(guān)鍵技術(shù),掌握粉末設(shè)計(jì)與制備技術(shù),制定材料、工藝、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),建立工藝、性能數(shù)據(jù)庫(kù)和冶金圖譜,掌握零件產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù),制定零件產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品增材制造質(zhì)量控制技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究和零件充分考核驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,推進(jìn)激光增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)等重點(diǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。至2035年,在航空領(lǐng)域普通金屬激光增材制造全面量產(chǎn)應(yīng)用;金屬間化合物增材制造的組織-性能-變形控制技術(shù)全面突破,性能驗(yàn)證基本完成,功能考核部分完成,部分產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)。鈮-硅、陶瓷基材料增材制造物理冶金原理得到揭示,性能驗(yàn)證基本完成,部分產(chǎn)品開(kāi)始裝機(jī)應(yīng)用。
基于分區(qū)掃描成形的激光增材制造工藝(a)、(b)分區(qū)掃描軌跡規(guī)劃;(c)增材制造毛坯。
2035年發(fā)展路線圖
l 重點(diǎn)產(chǎn)品
(1)飛機(jī):
①鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu);
②超高強(qiáng)度鋼起落架外筒;
③鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
(2)發(fā)動(dòng)機(jī):
①航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件;
②航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件;
③航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件;
④航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件;
⑤航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件。
2035年航空領(lǐng)域激光增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖
l關(guān)鍵共性技術(shù)
(1)激光選區(qū)熔化用高品質(zhì)粉末成分設(shè)計(jì)與制備技術(shù)
激光增材制造成形制件的組織與鑄件、塑性成形件具有顯著差別,為獲得相當(dāng)?shù)男阅芩?,通常需要?duì)材料成分進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,即開(kāi)發(fā)適合增材制造的專用材料。為獲得良好的成形工藝性、優(yōu)良的制件內(nèi)部和外部質(zhì)量,激光選區(qū)熔化增材制造工藝對(duì)所采用的粉末原材料的質(zhì)量,如粉末的球形度、空心粉率、氣體含量、夾雜率、粒徑分布、流動(dòng)性等,均提出嚴(yán)格的要求。加之所采用的材料為了提高力學(xué)性能,均采用特殊的成分體系,導(dǎo)致其液態(tài)和固態(tài)塑性加工性能較差。這些都增加了高品質(zhì)粉末制備的挑戰(zhàn)性。
(2)激光增材制造的缺陷控制和組織性能改善技術(shù)
飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)良的綜合性能的獲得,通常以犧牲材料的熱加工性為代價(jià)。用于燃油噴嘴、渦流器等零件的高溫合金、鈦合金、鋁合金、馬氏體不銹鋼等材料,在凝固過(guò)程中,發(fā)生裂紋的傾向性普遍較高,容易導(dǎo)致制件報(bào)廢,或嚴(yán)重降低制件的可靠性。對(duì)于鈦合金的增材制造,產(chǎn)生氣孔的概率很高。增材制造采用逐層堆積,如工藝參數(shù)選取不合適,容易在層間產(chǎn)生未熔合或熔合不充分等缺陷。飛機(jī)重要承力結(jié)構(gòu),要求長(zhǎng)壽命、抗疲勞、高可靠。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件還對(duì)持久、蠕變等性能提出了要求,這就要求對(duì)增材制造的組織形態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此,需要通過(guò)工藝優(yōu)化及合適的后續(xù)處理,防止缺陷產(chǎn)生、獲得優(yōu)良組織,保證制件性能。由于工藝參數(shù)的調(diào)整,對(duì)于不同性質(zhì)缺陷的產(chǎn)生、組織形態(tài)和力學(xué)性能的變化等所產(chǎn)生的影響十分復(fù)雜,最優(yōu)的工藝窗口可能很窄,必須經(jīng)過(guò)實(shí)質(zhì)上的一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程才可能確定。
(3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確成形的增材制造應(yīng)力變形控制技術(shù)
增材制造過(guò)程的逐層堆積引起熱應(yīng)力和變形的累積。每層材料的熔融、凝固均會(huì)產(chǎn)生一次凝固收縮。因此,增材制造的制件內(nèi)部存在較大的應(yīng)力,這會(huì)引起制件開(kāi)裂或宏觀變形。對(duì)于飛機(jī)框梁、起落架等大投影面積、大厚度結(jié)構(gòu),以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、機(jī)匣等復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu),應(yīng)力變形問(wèn)題更為突出,導(dǎo)致制件外觀尺寸和內(nèi)部通道等形狀控制難度大為增加。因此,需要通過(guò)優(yōu)化制件的空間擺放,采用合適的沉積策略、工藝支撐,優(yōu)化成形工藝參數(shù)、采用合適的預(yù)熱及后熱處理,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力變形的有效控制。
(4)激光選區(qū)熔化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)與測(cè)試技術(shù)
激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)重要承力和功能結(jié)構(gòu),其內(nèi)部缺陷、組織特點(diǎn)不同于鍛造、鑄造結(jié)構(gòu),導(dǎo)致傳統(tǒng)的檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未必適用。激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、軸承殼體等帶內(nèi)部流道或者中空薄壁類的復(fù)雜結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流道角度、形狀和尺寸公差、表面粗糙度,對(duì)結(jié)構(gòu)功能均有重要影響;但是這些結(jié)構(gòu)特征采用常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)難以檢測(cè),必然會(huì)對(duì)增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用造成限制。由于激光選區(qū)熔化成形材料及結(jié)構(gòu)的組織、缺陷有其特殊性,常見(jiàn)的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷的尺寸僅為微米量級(jí),采用常規(guī)的方法難以檢測(cè),另外,材料的組織特征及缺陷的類型、尺寸、分布等對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、可靠性和使用壽命影響還缺乏系統(tǒng)性研究。這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了激光增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用。
(5)增材制造元件級(jí)及零件級(jí)力學(xué)性能考核
由于增材制造與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造組織缺陷存在明顯差異,使增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能及其斷裂行為存在顯著不同。對(duì)于增材制造整體葉盤,如何表征材料及整體葉盤的力學(xué)行為也是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題之一。增材制造整體葉盤的力學(xué)行為研究,包括增材制造材料力學(xué)行為、元件級(jí)(單元體)力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為研究。對(duì)于單元體力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為,國(guó)內(nèi)還沒(méi)開(kāi)展相關(guān)研究,國(guó)外RR、GE、MTU等機(jī)構(gòu)的研究也鮮有公開(kāi)報(bào)道,仍處于保密階段。
結(jié)論與建議
(1)增材制造特別適合零件的快速研制、快速驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn),并且支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新,因此在飛機(jī)鈦合金承力框、滑輪架和超高強(qiáng)度鋼起落架外筒等重要承力結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)艙門連接件、輔助動(dòng)力艙進(jìn)氣門、排氣門格柵結(jié)構(gòu)、武器艙門支座、橫梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中得到應(yīng)用,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、渦輪葉片、傳感器殼體、燃油控制系統(tǒng)殼體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中也得到批量應(yīng)用。不僅縮短了零件研制周期,降低了制造成本,而且增加了設(shè)計(jì)的自由度,通過(guò)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)新,取得了質(zhì)量減輕、承載耐溫能力提高、工作效能提高等效果。一方面加快了飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)度,另一方面由于采用結(jié)構(gòu)功能一體化制造,大大減少了零件數(shù)量,顯著提高了裝備的可靠性。
(2)國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展仍存在短板和不足,制約著增材制造技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。增材制造設(shè)備激光器、光路、加工頭等核心器件自主保障能力不足,零件數(shù)模切片、掃描路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制軟件研發(fā)能力欠缺,限制了工藝創(chuàng)新的上升空間。對(duì)傳統(tǒng)材料和新材料增材制造組織、性能、缺陷、應(yīng)力變形發(fā)展規(guī)律的研究不深入,導(dǎo)致制件增材制造的控性控形工藝開(kāi)發(fā)效果不佳。對(duì)于粉末、絲材原材料和增材制造工藝過(guò)程的質(zhì)量控制以及制件性能評(píng)價(jià)研究不充分,導(dǎo)致相關(guān)材料規(guī)范、工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失,嚴(yán)重制約增材制造的批量化規(guī)?;瘧?yīng)用推廣。
(3)為推動(dòng)我國(guó)增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用推廣,需要從科研項(xiàng)目支持、科研生產(chǎn)條件配套、設(shè)備研發(fā)能力提升等方面提供全方位的戰(zhàn)略保障。具體建議如下:
①設(shè)立不同類型科研項(xiàng)目支持技術(shù)研發(fā)
結(jié)合在研、在役飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制和性能提升,設(shè)立型號(hào)課題,針對(duì)已具備較好研究基礎(chǔ)的TC4鈦合金、AlSi10Mg鋁合金、GH3536高溫合金增材制造技術(shù),支持開(kāi)展工程化應(yīng)用研究,解決產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)技術(shù)的規(guī)?;慨a(chǎn)應(yīng)用。針對(duì)預(yù)研飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制需求,設(shè)立預(yù)先研究課題,針對(duì)高強(qiáng)高韌鈦合金、高鋁鈦高溫合金等高性能材料增材制造技術(shù),支持開(kāi)展控性、控形關(guān)鍵技術(shù),研制典型零件并開(kāi)展相關(guān)考核試驗(yàn),推動(dòng)技術(shù)型號(hào)應(yīng)用。面向未來(lái)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)需求,設(shè)立應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題,支持開(kāi)展超高溫結(jié)構(gòu)材料、新型材料、新型結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究,為新概念航空裝備設(shè)計(jì)制造儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。
②配套科研條件建設(shè)
根據(jù)型號(hào)課題、預(yù)先研究課題、應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題需要,進(jìn)行配套科研條件建設(shè),建立各階段研究所需設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件等硬、軟件設(shè)施。
③支持相關(guān)基礎(chǔ)元器件、設(shè)備集成、軟件開(kāi)發(fā)
支持提升國(guó)內(nèi)增材制造設(shè)備集成能力、重要核心元器件的研發(fā)制造能力,支持開(kāi)展國(guó)內(nèi)數(shù)模切片軟件、掃描策略規(guī)劃軟件、工藝參數(shù)控制軟件、模擬仿真軟件的優(yōu)化、開(kāi)發(fā),提高裝備和工藝的智能化水平。
(文章來(lái)源:《航空材料學(xué)報(bào)》2023,43,《航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖》 作者:王天元,黃帥,周標(biāo),鄭濤,張國(guó)棟,郭紹慶)
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